Nanoanténa (nantenna) - zařízení pro přeměnu sluneční energie na elektrický proud , postavené na principu usměrňovací antény , ale nepracuje v rádiovém rozsahu , ale v oblasti optických vlnových délek elektromagnetického záření . Myšlenku použití antén ke sběru sluneční energie poprvé navrhl Robert Bailey v roce 1972 [1] . Také tuto myšlenku navrhl Nikola Tesla v patentu č. 685 957 ze dne 11.05.1901 .
Možný je i jiný, rozšířený výklad tohoto pojmu, podle kterého by se nanoanténa měla chápat jako miniaturní anténa , jejíž rozměry nepřesahují stovky mikronů a jeden z rozměrů je 100 a méně nanometrů. Příkladem tohoto druhu nanoantén jsou dipóly na bázi nanotrubic, které zajišťují provoz se signály o frekvenci několika stovek GHz. [2]
Nanoanténa je kolektor elektromagnetického záření, určený k pohlcování energie určité vlnové délky, úměrné velikosti nanoantény. V současné době Idaho National Laboratory vyvinula nanoantény, které absorbují vlnové délky v rozsahu 3-15 µm, [3] což odpovídá energii fotonů 0,08-0,4 eV. Na základě teorie antén může nanoanténa účinně absorbovat světlo jakékoli vlnové délky za předpokladu, že velikost nanoantény je optimalizována pro konkrétní vlnovou délku. V ideálním případě se nanoantény nejlépe používají k absorpci světla o vlnových délkách 0,4-1,6 mikronů, protože tyto vlny mají více energie než infračervené (dlouhé vlny) a tvoří asi 85 % spektra slunečního záření (viz obr. 1). [čtyři]
V roce 1973 získal Robert Bailey spolu s Jamesem Fletcherem patent na „převaděč elektromagnetických vln“. [5] Patentované zařízení bylo podobné dnešním nanoanténám. V roce 1984 Alvin Marks obdržel patent na zařízení, které výslovně uvádí použití submikronové antény k přímé přeměně sluneční energie na elektrickou energii. [6] Marxovo zařízení vykazovalo oproti Baileyho zařízení výrazné zlepšení účinnosti. [7] V roce 1996 Lin Guang X. jako první předložil zprávu o rezonanční absorpci světla na speciálně připravených nanostrukturách a detekci světla s frekvencí ve viditelné oblasti. [7] V roce 2002 zveřejnila společnost ITN Energy Systems zprávu o své práci s optickými anténami v kombinaci s vysokofrekvenčními diodami. ITN se rozhodla vybudovat řadu účinných nanoantén. v řádu několika procent. Přestože byly neúspěšné, problémy související s konstrukcí vysoce účinných nanoantén našly lepší pochopení. [4] Výzkum nanoantén pokračuje. [2]
Teorie za nanoanténami je v podstatě stejná, která popisuje činnost usměrňovacích antén ( rectennas ). Světlo dopadající na anténu způsobuje, že elektrony v anténě oscilují tam a zpět se stejnou frekvencí jako dopadající světlo. To je způsobeno kolísáním elektrického pole přicházející elektromagnetické vlny. Pohyb elektronů vytváří v obvodu antény střídavý proud. Chcete-li převést střídavý proud na stejnosměrný, musíte jej detekovat, což se obvykle provádí pomocí usměrňovací diody. Po této konverzi lze použít stejnosměrný proud k napájení externí zátěže. Rezonanční frekvence antény (frekvence, při které má systém nejnižší impedanci a tedy nejvyšší účinnost) roste lineárně s fyzickými rozměry antény v souladu s jednoduchou teorií mikrovlnných antén, [4] však musí být kvantové efekty zohledněno při jeho výpočtu. [2] Vlnové délky slunečního spektra leží v rozmezí asi 0,3 až 2,0 µm. [4] Aby tedy byla usměrňovací anténa účinným elektromagnetickým solárním kolektorem, musí mít prvky o velikosti řádově stovky nanometrů.
Kvůli zjednodušením používaným v teorii typických usměrňovacích antén existuje několik záludných bodů, které se objevují při diskuzi o nanoanténách. Při frekvencích nad infračervenou oblastí je téměř veškerý proud veden blízko povrchu vodiče, což snižuje efektivní plochu průřezu vodiče a vede ke zvýšení odporu. Tento efekt je známý jako " efekt kůže ".
Další komplikací downsizingu je, že diody používané ve velkých rectennas nemohou pracovat na terahertzových frekvencích bez velkých ztrát výkonu. [3] Ztráta výkonu je způsobena přechodovou kapacitou (známou jako parazitní kapacita), kterou mají pn přechody konvenčních a Schottkyho diod , což znamená , že mohou efektivně pracovat pouze při frekvencích pod 5 THz. Ideální vlnové délky 0,4-1,6 μm odpovídají frekvencím přibližně 190-750 THz, což je mnohem více než schopnosti tradičních diod. Pro efektivní přeměnu energie je tedy nutné použít alternativní diody. Moderní nanoanténní zařízení využívají tunelové diody založené na přechodech kov-izolátor-kov (MIM). Na rozdíl od Schottkyho diod nemají MDM diody parazitní kapacity, protože fungují na bázi elektronového tunelování. Díky tomu MDM diody efektivně pracují na frekvencích okolo 150 THz, což je mnohem blíže optimálním frekvencím nanoantén. [čtyři]
Jednou z nejdůležitějších deklarovaných výhod nanoantén je jejich vysoká teoretická účinnost (COP). Ve srovnání s teoretickou účinností solárních článků budou mít nanoantény pravděpodobně významnou výhodu.
Nejviditelnější výhodou nanoantén oproti polovodičovým fotovoltaickým článkům je to, že je docela snadné navrhnout pole nanoantén pro libovolné frekvence světla. Jednoduchým výběrem velikosti nanoantény v matrici lze vyladit její rezonanční frekvenci tak, aby absorbovala určitou vlnovou délku světla (škála rezonanční frekvence je zhruba lineární s velikostí antény). To je velká výhoda oproti polovodičovým solárním článkům, protože v nich je pro změnu vlnové délky absorbovaného světla nutné změnit zakázané pásmo polovodiče. A aby se změnila mezera v pásmu, musí být polovodič dopován speciálním způsobem, nebo se musí použít úplně jiný polovodič. [3]
Jak bylo uvedeno dříve, jedním z hlavních omezení nanoantén je frekvence, na které pracují. Vysoká frekvence světla v ideálním rozsahu vlnových délek činí použití typických Schottkyho diod nepraktickým. Ačkoli MDM diody ukázaly slibný potenciál pro použití v nanoanténách, jsou zapotřebí nové pokročilé metody k zajištění efektivního provozu při vysokých frekvencích.
Další nevýhodou je, že současné nanoantény [8] jsou vyráběny pomocí elektronového paprsku (elektronová paprsková litografie). Tento proces je pomalý a poměrně nákladný, protože paralelní zpracování v elektronové litografii není možné. Elektronová litografie se zpravidla používá pouze pro výzkumné účely, kdy je potřeba extrémně přesné rozlišení pro minimální velikost prvků (obvykle v řádu několika nanometrů). V současnosti však metody fotolitografie natolik pokročily, že je možné vytvořit minimální velikosti prvků v řádu desítek nanometrů, což umožňuje vyrábět nanoantény pomocí fotolitografie.
Po ověření koncepce byly laboratorní vzorky křemíku vyrobeny pomocí standardních technik výroby polovodičových integrovaných obvodů. K výrobě kovových konstrukcí anténního pole byla použita elektronová litografie. Nanoanténa se skládá ze tří hlavních částí: základní rovina, optický rezonátor a samotná anténa. Anténa pohlcuje elektromagnetické vlny, základní rovina odráží světlo směrem k anténě a optický rezonátor vychyluje a soustřeďuje světlo také směrem k anténě pomocí základní roviny. [3] Je také možné vytvářet nanoantény na bázi nanotrubic. [2]
Národní laboratoř v Idahu použila následující kroky k výrobě svých nanoanténových polí. Na křemíkový plátek byla umístěna kovová základní rovina, na kterou byla předběžně naprášena vrstva amorfního křemíku. Tloušťka nanesené křemíkové vrstvy byla asi čtvrtina vlnové délky světla. Jako vlastní anténa byl nanesen tenký film manganu spolu s frekvenčně selektivním zlatým povrchem (povrch funguje jako filtr požadované frekvence). Poté byla pomocí elektronové litografie nanesena přes šablonu odporová vrstva. Zlatý film byl selektivně vyleptán a poté byla odstraněna odporová vrstva.
Pro výrobu ve velkém měřítku jsou kroky laboratorního zpracování, jako je elektronová litografie, příliš pomalé a drahé. Proto byla vyvinuta metoda výroby roll-to-roll s využitím nové technologie, která využívá vzorovou šablonu. Tato hlavní šablona se používá k mechanickému "tisku" přesného vzoru na levný, flexibilní substrát. Referenční šablona se používá k vytvoření kovových prvků smyčky, které jsou viditelné v laboratorním kroku. Referenční šablona vyrobená v Idaho National Laboratory se skládá z přibližně 10 miliard anténních prvků na 8palcovém kulatém silikonovém plátku. Díky tomuto poloautomatickému procesu vyrobila Idaho National Laboratory velké množství 4palcových čtvercových karet. Tyto karty byly poté spojeny dohromady, aby vytvořily velký flexibilní list s řadou nanoantén.
Důkaz principu fungování nanoantény začal výrobkem na silikonovém substrátu o ploše 1 cm 2 , na který byla potiskem nanesena nanoanténová mřížka, vyplňující tuto plochu. Zařízení bylo testováno pomocí infračerveného světla v rozsahu 3 až 15 µm. Špička záření byla na vlnové délce 6,5 mikronu a dosáhla termionické účinnosti 1. Termionická účinnost 1 znamená, že nanoanténa pohltí všechny fotony o určité vlnové délce (v tomto případě 6,5 mikronu), které dopadají na zařízení. [9] Porovnáním experimentálních a simulovaných spekter vidíme, že experimentální výsledky jsou v souladu s teoretickými očekáváními (obr. 3). V některých oblastech byla termionická účinnost nanoantény nižší, než se teoreticky počítalo, ale v jiných oblastech, konkrétně při vlnové délce asi 3,5 mikronu, zařízení absorbovalo více světla, než se očekávalo.
Po ověření koncepce pomocí produktu na tuhém silikonovém substrátu byl experiment opakován na vzorku pružného polymerního substrátu. Očekávaná vlnová délka pro flexibilní substrát byla nastavena na 10 mikronů. Počáteční testy ukázaly, že design nanoantény lze přenést na polymerní substrát, ale k plné optimalizaci výkonu je zapotřebí dalších experimentů.
Nanoantény jsou levnější než solární články. Materiály a zpracování solárních článků jsou poměrně drahé (přes 1 000 USD za metr čtvereční při použití křemíkového substrátu). Pokud jde o nanoantény, Steven Novak odhadl současnou cenu materiálů na pět až deset dolarů za metr čtvereční. [10] Při správné volbě metod zpracování a vhodných materiálů odhaduje, že celkové náklady na hromadnou výrobu budou dosti nízké. Jeho jeden stopu dlouhý prototyp byl vyroben z dvoustopého plátu plastu, který obsahoval zlato v hodnotě asi 60 centů. I tyto náklady je možné snížit, protože při výrobě lze použít jiné materiály: hliník, měď nebo stříbro. [11] V prototypu byl použit křemíkový substrát získaný známými způsoby zpracování, ale teoreticky lze použít i jiné substráty, pouze je nutné, aby referenční rovina měla správnou orientaci.
V rozhovoru pro National Public Radio Dr. Novak řekl, že nanoantény by mohly být jednou použity k napájení automobilů, nabíjení mobilních telefonů a dokonce i chlazení domácností. K poslednímu jmenovanému Novak uvedl, že chladicí systémy budou fungovat zaprvé jako absorbéry infračerveného tepla dostupného v místnosti, které bude využito k výrobě elektřiny, a tato elektřina může být použita k dalšímu chlazení místnosti.
V současnosti není největší problém s anténou, ale s usměrňovačem. Jak již bylo zmíněno výše, moderní diody nejsou schopny efektivně detekovat na frekvencích, které odpovídají infračervenému a viditelnému světlu. Je tedy nutné vytvořit usměrňovače, které by dokázaly přeměnit absorbované světlo na užitečnou formu energie. V současné době vědci očekávají, že vytvoří usměrňovač, který dokáže přeměnit asi 50 % záření pohlceného anténou na energii. [10] Významným problémem je zlepšení jednotnosti parametrů diod a snížení jejich otevřeného odporu. Další oblastí výzkumu je vývoj procesu výroby vysoce kvalitních produktů pro masového spotřebitele. Je potřeba vybírat a testovat nové materiály, které by byly vhodné pro válcovací techniku.
Dalším směrem využití nanoantén terahertzového frekvenčního rozsahu je implementace bezdrátových sítí na čipu (Wireless network-on-chip, WNOC), která obejde omezení klasických sítí ve vztahu k asynchronismu signálu a problému jejich zpoždění a také zajišťují komunikaci mezi součástmi mikroobvodu v nanoměřítku a makroúrovní [12] .